Микроволновое излучение солончака в летний период

Почвенное засоление является одной из распространенных причин деградации земель [1]. К настоящему времени суммарная площадь засоленных почв на Земном шаре превысила миллиард гектар. В результате засоления плодородные земли превращаются в бесплодные солончаки, характеризующиеся высоким содержанием в поверхностном слое почвы легкорастворимых минеральных солей в количествах, препятствующих развитию большинства растений. Почвенное засоление часто сопровождается засухой, заболачиванием, повышением кислотности почвы. Риску деградации подвержены территории, прилегающие к солёным озёрам [2], при усыхании которых происходит отложение солей на осушенном дне и образование солончаков. Осушенная поверхность солончака может стать источником мелкодисперсных токсичных солей, которые в результате пылевых бурь, способны переноситься по воздуху на значительные расстояния [3].
Действенный мониторинг значительных по площади территорий возможен только с использованием спутникового зондирования. Для оценки засолённости применяются методы дистанционного зондирования, обзор которых приведен в [4]. Присутствие в почве легкорастворимых минеральных солей оказывает заметное влияние на диэлектрические свойства почв [5-9], затрудняя правильную интерпретацию данных дистанционного микроволнового зондирования.
В данной работе исследована суточная динамика микроволнового излучения солончака, образовавшегося в летний период на осушенной поверхности гиперсоленого озера. В качестве основного объекта исследования выбран участок осушенного дна гиперсоленого озера Мормышанское (Алтайский край) Экспедиционное обследование проводилось в августе, когда значительная часть солончака была осушена в результате продолжительной летней засухи и представляла собой гладкую ровную поверхность с коркой соли толщиной до 2-3 мм.
Измеряли суточную динамику радиояркостных температур (ТЯ) исследуемого участка на длине волны 2,3 см. Измерения проводили на вертикальной (ТЯV) и горизонтальной (ТЯH) поляризациях под углом зондирования 42 град. В ходе эксперимента также измеряли термодинамическую температуру на глубине от 0 до 22 см. В лабораторных условиях определяли объемную влажность (W), гранулометрический состав, засолённость (Z) грунта.
От поверхности солончака до глубины 25 см выделялись следующие слои, различающиеся по гранулометрическому составу и содержанию солей: слой 1 – соляная корка (0 – 0,3 см); слой 2 – рыхлый песок (0,3 – 2 см); слой 3 – супесь (2–10 см), 4 – ил (глубже 10 см). Начиная с глубины 25 см залегали сильно минерализованные грунтовые воды. W соляной корки изменялась в течение суток от 0,22 до 0,44 г/куб. см, а W нижележащего слоя (0,3-2 см) – от 0,31 до 0,43 г/ куб. см.
Из анализа экспериментальных данных следует, что с глубиной наблюдается изменение гранулометрического состава грунта, массовой концентрации растворенных ионов. Максимальная концентрация солей (Z) наблюдается в соляной корке (слой 1). В слое (2) Z уменьшается в 35 раз, а в слое (3) возрастает в 5 раз по сравнению со слоем 2. Таким образом, между соляной коркой и слоем (3) возникает промежуточный слой (2) с заметно отличающимися свойствами как по гранулометрическому составу, так и по влажности, температуре, массовой концентрации и типу минеральных солей.
Экспериментально зафиксированы чередующиеся «волнообразные» изменения ТЯH и ТЯV в вечернее и ночное время с амплитудой от 5 до 10 К. Это может быть связано с образованием на поверхности солончака соляной корки с изменяющимися во времени физическими свойствами и возникновением интерференции микроволнового излучения при зондировании в сантиметровом диапазоне. Интерференционная картина зависит от соотношения между длиной волны и толщиной соляной корки, а также от диэлектрических характеристик, зависящих, в свою очередь, от температуры и влажности почвы [10]. Скин-слой сильно увлажненной соляной корки в сантиметровом диапазоне не превышает нескольких миллиметров. Соответственно, даже незначительные (в пределах миллиметров) вариации её толщины могут вызвать интерференцию микроволнового излучения солончака.
Из анализа полевых измерений T, W, Z можно сделать вывод о том, что в течение суток происходит существенное изменение глубинной структуры солончака, в результате чего образуется трехслойная структура солончака, характеризующаяся разными значениями T, W, Z. В течение ночи с уменьшением температуры почвы на 10 градусов заметно уменьшается растворимость минеральных солей. Для сульфата натрия, являющегося одной из основных солей, формирующих засоление, понижение температуры с 30 до 18 градусов ведет к уменьшению растворимости более чем в два раза [11].
При одновременном уменьшении Т и W засолённого грунта часть растворённых в почвенной влаге минеральных солей выпадает в осадок. Для солончака с высоким содержанием легкорастворимых минеральных солей подобное понижение температуры с одновременным уменьшением W и выпадением солей из раствора в осадок будет сопровождаться довольно заметным (в зависимости от соотношения T, W, Z) изменением диэлектрических и радиоизлучательных характеристик солончаковой поверхности, так как диэлектрические характеристики нерастворенных минеральных солей заметно ниже диэлектрических характеристик их водных растворов [12].
Влияние интерференции может существенно снизить точность дистанционной оценки физических параметров солончака, например влажности и засоленности.
Вариации радиояркостных температур в ночное время связаны с уменьшением температуры солончака, в результате чего происходит уменьшение растворимости минеральных солей и выпадение части солей из раствора в осадок. Это ведет к изменению толщины скин-слоя почвы, изменению диэлектрических характеристик грунта и возникновению интерференции микроволнового излучения.
В дневные часы, при повышении температуры, интенсивном испарении с поверхности солончака и высыхании поверхностного слоя так же возможно возникновение слоистой структуры, образование которой связано с другим механизмом, заключающимся в том, что при высокой температуре почвы испарение почвенной влаги из поверхностного слоя не компенсируется подтягиванием влаги из нижележащих горизонтов, что ведет к разрыву капиллярной каймы и выпадению солей в осадок.
Выявленные особенности микроволнового излучения солончаков в летний период могут затруднить дистанционный микроволновый мониторинг солончаков и засоленных почв из-за возникновения интерференции микроволнового излучения на слоистой структуре солончака с изменяющимися в течение суток диэлектрическими характеристиками слоев.

Исследование выполнено полностью при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда № 22-17-20041 (https://rscf.ru/project/22-17-20041).